CN105628205A - 调幅信号整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调幅信号的周期同步测频修正数字解调检测系统及检测方法，本发明是采用整周期或半周期同步测频修正的数字累积解调的检测系统和方法实现幅度调制信号的幅值检测。检测系统以微控制器单元控制高速模数转换单元进行信号采集，并通过绝对值累计平均计算实现锁相放大的数字化积分和滤波处理；同时捕获信号整周期或半周期的起点，利用高频计数测量信号的频率，并对检测结果进行频率修正。与现有的采用模拟锁相放大电路的检测系统相比，电路简单、无中间调试环节、检测精度高；与已有的简化的数字解调检测系统相比，在没有增加电路和算法的复杂度以及检测时间和成本的前提下降低了系统检测的噪声，提高了检测精度。

Description

调幅信号整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于幅度调制信号检测系统的数字解调的频率误差补偿修正技术，尤其是光栅扫描型光谱仪的信号检测系统的数字解调方法。

背景技术

对于幅度调制检测信号的解调，检测系统通常采用锁相放大电路实现：将检测信号和参考信号(与被测信号同频同相的方波信号)进行相敏检波、低通滤波、放大后得到与调制信号同频分量的幅值信号，从而有效地抑制噪声和谐波。其电路包括检测信号的带通滤波和放大、参考信号的移相、相敏检波、低通滤波等环节，而且每个环节的信号处理结果均依赖前一级环节输出信号，输出信号受各级电路影响，造成系统调试难度逐级加大，系统的稳定性、仪器的一致性很难保证。

现有的数字锁相放大器，在电路中省去了移相、相敏检波、低通滤波等环节，但依然存在一些问题。如：

CN102403969A公开了“一种数字锁相放大器和数字锁相控制方法”，采用设置采样频率为被测信号频率的4整周期倍的方法，用加减法运算替代了正交解调中的乘法运算。此种方法需要乘方开方运算，要求被测信号频率稳定且已知，同时要求采样频率为被测信号频率的特定倍数。

CN102916665A公开了一种“双相数字式锁相放大器及其数字域同步锁相算法”，实现自动跟踪滤波、同步锁相功能，可适应频率变化的输入信号，但要求作为参考信号的两路相位差为90°的方波信号与检测信号同频，而且需要采集三路信号，并送入PC机，由PC机实现锁相算法，不能满足光谱扫描对实时采样的要求。

吉林大学，刘志伟“便携式近红外光谱仪器数字解调采集系统研制”的论文中，提出利用CPLD分频产生4N倍信号频率的采样控制信号进行采样，并进行正交运算实现双相数字锁相放大。但需要检测信号频率已知且稳定，并与CPLD分频产生的控制信号频率成4N倍的关系，否则检测误差大。

103604500A公开了“光栅扫描型光谱仪的检测系统及检测方法”，检测系统以DSP微控制器的数字化积分和平均滤波算法实现数字锁相放大。它以锁相环稳速电路保证采样控制信号与检测信号的倍频关系，实现同步采样，因此存在稳速误差产生的信号和采样频率的波动，进而导致检测信号测量数字量的噪声较大。

北京航空大学刘立军等人“Adigitalswitchingdemodulatorforelectricalcapacitancetomography”、“Adigitaldemodulationmethodforelectricaltomographybasedonsinewaverectification”和“Acomplexprogrammablelogicdevice-basedhigh-precisionelectricalcapacitancetomographysystem”，

天津大学尹武良等人“Thedesignofadigitalmagneticinductiontomography(MIT)systemformetallicobjectimagingbasedonhalfcycledemodulation”和“电磁层析成像中基于半周期采样的数字解调方法”中，均提出了基于数字开关解调和数字整形解调的周期信号解调方法，进一步简化了数字解调算法。算法不需要参考信号，只进行加减法计算，需要采集一个周期或半个周期的信号即可完成幅值的解调，且在测量信号的任意时刻任意相位状态均可开始，无需信号的相位判断，检测电路和算法简单。但上述方法对于频率不稳定的被测信号，由于没有锁相，无法保证其检测时信号采集周期或半周期的完整，会产生较大的随机性误差。

201510621991.X公开了一种“简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪及检测方法”，以整周期内信号采集数据的绝对值平均计算的方法对数字锁相放大器进行了简化，光谱仪检测系统由微控制器单元和高速模数转换器单元构成，微控制器单元控制高速模数转换单元，电路和算法简单，检测速度快、精度高。但由于检测信号本身存在频率波动以及ADC采样频率的限制，会引起每个信号周期最后采样点的取舍误差，虽然取多个周期平均，但检测信号的测量结果仍然存在随机性误差，并表现为检测结果的噪声。

由此可见，现有的数字锁相放大器对于频率不稳定的检测信号，均存在检测噪声问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有数字锁相放大器的不足，提供一种减小调幅信号解调检测的噪声的调幅信号整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统；

本发明的另一目的是提供一种进一步减小现有数字锁相放大器对于频率不稳定的调幅信号检测噪声的调幅信号整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统的检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

调幅信号整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统，是由高速模数转换器单元分别经数据线和控制线与微控制器单元连接，信号整形电路通过控制线与微控制器单元连接构成。

调幅信号整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统的检测方法，是由微控制器单元以整周期或半周期同步测频修正绝对累计平均的检测方法对调幅信号进行数字解调。

整周期或半周期同步测频修正检测方法，是微控制器单元在接收到计数器控制信号(即整形电路输出的与检测信号同频同相的方波信号)的第一个上升沿或下降沿(整周期方法二者取一，半周期方法二者均取)开始，以同样的方式(即上升沿或下降沿有效，否则无效)依次判断每个整周期或半周期的终点，也是下一个整周期或半周期的起点；在每个整周期或半周期内同时进行采样、绝对值累计计算和高频计数，分别获得检测信号在每个整周期或半周期内的绝对值累计值I和计数值s，其中信号的采样频率为f₀，计数频率为f_c，且f_c远大于f₀；重复进行连续或不连续的多个(m)整周期或半周期后，以采样控制信号周期(1/f₀)与计数器获得的检测信号的每个整周期或半周期(s/f_c)的比值(f_c/sf₀)作为修正系数进行频率校正、以方波级数展开的1阶系数进行系数(π/2)校正，获得每一个整周期或半周期调幅信号的幅值M；并以其m个整周期或半周期的平均值作为待检测调幅信号的幅度检测值。包括以下步骤：

a、检测系统设置采样整周期或半周期m值或通过接受上位机指令获得；设置ADC采样频率f₀大于等于n倍的信号频率，n≥10；设置当前采样整周期或半周期的顺序号j＝1；

b、根据计数器控制信号判断检测信号每个整周期或半周期的开始或结束：

若计数器控制信号有效且j＝1，即信号第1个整周期或半周期开始，控制ADC开始采样；

若计数器控制信号有效且j>1，即信号第j个整周期或半周期结束，第j+1个整周期或半周期开始；

否则，即计数器控制信号无效，若j＝1，则重复此步骤；若j>1，则继续下一步骤；

其中计数器控制信号有效的判断依据是整形电路输出的与检测信号同频同相的方波信号为上升沿或下降沿，整周期方法二者取一，半周期方法二者均取；

c、在每一个整周期或半周期(j＝1，2，…，m)开始，计数器开始高频计数(计数频率为f_c，且远大于f₀)，直至该整周期或半周期结束，并获得该整周期或半周期的频率计数值s_j；

d、在每一个整周期或半周期(j＝1，2，…，m)的开始到结束期间，读取ADC采样值x(i)，并进行绝对值累计计算：

$I\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\left|x\left(i\right)\right|---\left(1\right)$

其中：i＝1,2，…，k_j，为信号当前整周期或半周期内采样点的顺序号；k_j为信号当前整周期或半周期内采样点数。

e、每个信号整周期或半周期进行频率和系数校正：

$M\left(j\right)=\frac{{\mathrm{\πf}}_c}{2s_j{f}_0}I\left(j\right)---\left(2\right)$

其中：f_c为定时器计数频率；

f、重复步骤b～e，进行m个整周期或半周期的同步测频、采样和累计修正计算；

g、计算m个整周期或半周期校正值M的平均值，得调幅信号幅度的测量值A：

$A=\frac{1}{m}\underset{t=1}{\overset{m}{\Σ}}M\left(t\right)---\left(3\right)$

h、结束。

有益效果：本发明是采用同步测频修正的数字整周期或半周期累积解调的检测系统和方法实现幅度调制信号的幅值检测。检测系统以微控制器单元控制高速模数转换单元进行信号采集，并通过绝对值累计平均计算实现锁相放大的数字化积分和滤波处理；同时捕获信号的整周期或半周期起点，利用高频计数测量信号的频率，并对检测结果进行频率修正。与现有的采用模拟锁相放大电路的检测系统相比，减少了中间调试环节，简化电路、降低电路系统调试难度、检测精度高；与已有的数字锁相放大解调检测系统相比，简化了电路、降低了系统的成本、提高了系统检测的速度和精度；与已有的简化的数字锁相放大解调检测系统相比，没有明显地增加电路和算法的复杂度、以及系统的检测时间和成本，却能够降低系统检测的噪声、提高系统检测的精度。

附图说明；

图1为整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统结构框图

图2为整周期或半周期同步测频修正数字解调检测的光栅扫描型光谱仪结构框图

图3为附图2中驱动控制电路结构框图

图4为调幅信号的整周期或半周期同步测频修正数字解调检测方法流程图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

调幅信号整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统，是由高速模数转换器单元分别经数据线和控制线与微控制器单元连接，信号整形电路通过控制线与微控制器单元连接构成。

调幅信号整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统的检测方法，是由微控制器单元以整周期或半周期同步测频修正绝对累计平均的检测方法对调幅信号进行数字解调。是微控制器单元在接收到计数器控制信号(即整形电路输出的与检测信号同频同相的方波信号)的第一个上升沿或下降沿(整周期方法二者取一，半周期方法二者均取)开始，以同样的方式(即上升沿或下降沿有效，否则无效)依次判断每个整周期或半周期的终点，也是下一个整周期或半周期的起点；在每个整周期或半周期内同时进行采样、绝对值累计计算和高频计数，分别获得检测信号在每个整周期或半周期内的绝对值累计值I和计数值s，其中信号的采样频率为f₀，计数频率为f_c，且f_c远大于f₀；重复进行连续或不连续的多个(m)整周期或半周期后，以采样控制信号周期(1/f₀)与计数器获得的检测信号的每个整周期或半周期(s/f_c)的比值(f_c/sf₀)作为修正系数进行频率校正、以方波级数展开的1阶系数进行系数(π/2)校正，获得每一个整周期或半周期调幅信号的幅值M；并以其m个整周期或半周期的平均值作为待检测调幅信号的幅度检测值。

实施例1：

针对调幅信号的幅值检测。

如图2所示，调幅信号的整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统是由微控制器单元、高速模数转换器单元、信号整形电路以及接口组成。微控制器单元分别经数据线和采样控制信号线与高速模数转换器单元连接、经计数控制信号线与信号整形电路连接，通过接口与上位机连接。被检测的调幅信号通过信号接口分别通过信号线与高速模数转换器单元和信号整形电路连接。

高速模数转换器单元选用高速模数转换芯片，接收微控制器单元的采样控制信号，对检测信号进行采样，转换为数字信号x通过数据线送入微控制器单元。由微控制器单元的采样控制信号控制其采样频率f₀大于等于信号频率f_s的n倍(n≥10)，即f₀≥nf_s。

信号整形电路采用比较器将检测信号转换为同频同相的方波信号，并作为计数控制信号通过信号线送入微处理器。微处理器单元根据方波信号的上升沿或下降沿是否到来作为计数控制信号是否有效的判据，当判断有效时，微处理器单元开始高频计数，直至计数控制信号下一次有效，本整周期或半周期计数结束，开始下一个整周期或半周期的计数，计数频率为f_c，远大于采样频率f₀。

微控制器单元选用MCU、DSP、ARM或FPGA等微处理器芯片，兼顾控制、计数、运算和通讯的功能。通过通讯接口连接上位机(PC机、平板电脑、手机等)接收控制指令。根据计数控制信号控制高速模数转换单元的采样、进行同步测频修正整周期或半周期累积解调，获得检测信号幅度的测量值，通过接口送入上位机。同步测频修正整周期或半周期累积解调方法的步骤包括：

a、检测系统设置采样整周期或半周期m值或通过接受上位机指令获得；设置ADC采样频率f₀大于等于n倍的信号频率，n≥10；设置当前采样整周期或半周期的顺序号j＝1；

b、根据计数器控制信号判断检测信号每个整周期或半周期的开始或结束：

若计数器控制信号有效且j＝1，即信号第1个整周期或半周期开始，控制ADC开始采样；

若计数器控制信号有效且j>1，即信号第j个整周期或半周期结束，第j+1个整周期或半周期开始；

否则，即计数器控制信号无效，若j＝1，则重复此步骤；若j>1，则继续下一步骤；

其中计数器控制信号有效的判断依据是整形电路输出的与检测信号同频同相的方波信号为上升沿或下降沿，整周期方法二者取一，半周期方法二者均取；

c、在每一个整周期或半周期(j＝1，2，…，m)开始，计数器开始高频计数(计数频率为f_c，且远大于f₀)，直至该整周期或半周期结束，并获得该整周期或半周期的频率计数值s_j；

d、在每一个整周期或半周期(j＝1，2，…，m)的开始到结束期间，读取ADC采样值x(i)，并进行绝对值累计计算：

$I\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\left|x\left(i\right)\right|---\left(1\right)$

其中：i＝1,2，…，k_j，为信号当前整周期或半周期内采样点的顺序号；k_j为信号当前整周期或半周期内采样点数。

e、每个信号整周期或半周期进行频率和系数校正：

$M\left(j\right)=\frac{{\mathrm{\πf}}_c}{2s_j{f}_0}I\left(j\right)---\left(2\right)$

其中：f_c为定时器计数频率；

f、重复步骤b～e，进行m个整周期或半周期的同步测频、采样和累计修正计算；

g、计算m个整周期或半周期校正值M的平均值，得调幅信号幅度的测量值A：

$A=\frac{1}{m}\underset{t=1}{\overset{m}{\Σ}}M\left(t\right)---\left(3\right)$

h、结束。

实施例2：

针对光栅扫描型光谱仪进行光谱信号的光强检测。

如图2所示，周期同步测频修正数字解调的光栅扫描型光谱仪，是由上位机经周期同步测频修正数字解调检测控制系统经驱动控制电路与光源、调制器和单色仪连接，驱动控制电路与调制器连接，单色仪经取样器和传感器模块与检测系统连接构成。

周期同步测频修正数字解调检测控制系统如图2所示，是由微控制器单元分别经数据线和采样控制信号线与高速模数转换器单元连接，经计数控制信号线与信号整形电路连接构成。周期同步测频修正数字解调检测控制系统中微控制器单元通过通讯接口与上位机连接，分别通过采样控制信号线和数据线与高速模数转换器单元连接，高速模数转换器单元和信号整形电路分别通过检测信号线与传感器模块连接。

如图3所示，驱动控制电路由稳速电路、稳压控制电路、电机驱动电路、限位检测电路4部分组成。分别通过控制线与周期同步测频修正数字解调检测控制系统的微控制器单元相连，稳速电路、稳压控制电路和电机驱动电路接收微控制器单元的控制信号分别通过信号线与切光器、光源、单色仪链接，进行调制器稳速控制、光源稳压控制、单色仪的扫描驱动与定位控制。

光栅扫描型光谱仪器利用调制器将光源产生的复合光调制为周期的光信号，此周期信号的幅值与光源的光强成正比。调制后的光信号由单色仪转换为所需范围的单一波长的入射光照射到样品上，通过取样器取样获得与样品作用后的单色光，再经过传感器模块进行光电转换和初步的滤波放大，转换成固定频率的电信号。检测系统对该信号进行转换处理，得到与光信号峰值相关的数字量送入上位机；同时进行仪器系统控制：单色仪的扫描驱动与定位控制、通过稳压和稳速电路对光源进行稳压控制和对调制器进行稳速控制。

光栅扫描型光谱仪的周期同步测频修正数字解调检测系统采用基于锁相放大的周期同步测频修正数字解调检测系统，包括微控制器单元、高速模数转换器单元、信号整形电路3个部分。

微控制器单元分别与上位机、驱动控制系统、高速模数转换器单元、信号整形电路相连，接收上位机传递下来的控制指令，同时控制调制器的稳速电路、光源的稳压控制电路、通过电机的驱动电路和扫描的限位检测电路控制单色仪的扫描工作，并在每个波长扫描点处根据计数控制信号控制高速模数转换单元的采样、进行同步测频修正周期累积解调，获得当前波长处的光谱测量值，通过接口送入上位机。

高速模数转换器单元与光谱仪的传感器模块、微控制器单元相连，选用高速模数转换芯片，接收微控制器单元的采样控制信号，对由光谱仪探测器模块输出的检测信号进行采样，转换为数字信号x通过数据线送入微控制器单元。由微控制器单元的采样控制信号控制其采样频率f₀大于等于信号频率f_s的n倍(n≥10)，即f₀≥nf_s。

信号整形电路采用比较器将检测信号转换为同频同相的方波信号，并作为计数控制信号通过信号线送入微处理器。微处理器单元根据方波信号的上升沿(或下降沿)是否到来作为计数控制信号是否有效的判据，当判断有效时，微处理器单元开始高频计数，直至计数控制信号下一次有效，本整周期或半周期计数结束，开始下一个整周期或半周期的计数，计数频率为f_c，远大于采样频率f₀。

微控制器单元选用MCU、DSP、ARM或FPGA等微处理器芯片，兼顾控制、计数、运算和通讯的功能。通过接口接收上位机(PC机、平板电脑、手机等)的控制指令，控制单色仪的光栅扫描、高速模数转换器单元的信号采集，利用定时器进行高频计数，对采集数据采用整周期或半周期绝对累计平均和测频修正算法获得当前波长点处调幅信号幅度的测量值，并将结果送入上位机。

在光谱仪的每一个扫描波长点处，微控制器单元利用定时器捕获功能获得m(m为取样的整周期或半周期数，为正整数，由上位机控制指令给定)个信号整周期或半周期的计数值s_j(j＝1，2，…，m)，同时控制高速模数转换器单元采样获得每个信号整周期或半周期内数字信号序列x(i)，并进行同步测频修正周期累积解调计算，得出检测信号的幅值，作为当前波长处的光谱测量值，通过接口送入上位机，完成当前波长点的测量。然后进行下一个波长点的扫描测量。

同步测频修正周期累积解调计算采用锁相放大器原理，将每个信号整周期或半周期的采样数据x进行绝对值累加平均、频率及系数校正、m个整周期或半周期的算术平均计算得信号幅值A。上述过程在微控制器中以c语言编程、编译的可执行程序实现。光栅扫描型光谱仪对经过光强调幅、传感器模块转换放大后输入到检测系统的信号，采用周期同步测频修正数字解调检测方法的流程如图4所示。

具体步骤如下：

a、检测系统接受上位机指令，获得采样整周期或半周期m值，设置整周期或半周期采样点的顺序号i＝1，采样整周期或半周期的顺序号j＝1，整周期或半周期内信号绝对值累计量I(j)＝0。

b、判断信号是否是第1个整周期或半周期的起点，即计数控制信号是否有效：以上升沿或下降沿作为计数控制信号有效的判断依据，整周期方法上升沿、下降沿二者取一，半周期方法上升沿和下降沿均取。若无效则重复此步骤b。

若有效则开始第1个整周期或半周期的频率计数，并控制ADC采样，采样频率大于等于n倍的信号频率，n≥10。

c、获得ADC采样值x(i)，进行整周期或半周期内信号的绝对值累计计算：

I(j)＝I(j)+|x(i)|(1)

d、判断信号是否是第j+1个整周期或半周期的起点，若不是，则i＝i+1，转至步骤c；若是则继续转至步骤e。

e、读取计数器的数值，获得第j个整周期或半周期的频率计数值s_j，计数器清0，j＝j+1，I(j)＝0，i＝1，频率计数开始。

f、判断是否为最后一个整周期或半周期：j是否大于m+1。若是则转至步骤g，否则转至步骤c；

g、m个整周期或半周期的校正和平均计算：

$A=\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\πf}}_c}{2s_j{f}_0}I\left(j\right)---\left(2\right)$

其中：f_c为定时器计数频率，f₀为ADC采样频率。

h、结束。

上述系统和方法中的n、m和f_c根据高速数模转换单元的转换速度、微控制器单元的存储和计算能力及光谱仪对检测速度的要求，尽量选取大的数值。

Claims (2)

1.一种调幅信号整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统，其特征在于，是由周期同步测频修正数字解调检测系统是由高速模数转换器单元分别经数据线和采样控制信号线与微控制器单元连接，信号整形电路通过计数控制信号线与微控制器单元连接构成。

2.按照权利要求1所述的调幅信号整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统的检测方法，其特征在于，微控制器单元以整周期或半周期同步测频修正绝对累计平均的检测方法对调幅信号进行数字解调，包括以下步骤：

a、检测系统设置采样整周期或半周期数m值或通过接受上位机指令获得；设置ADC采样频率f₀大于等于n倍的信号频率，n≥10；设置当前采样整周期或半周期的顺序号j＝1；

b、根据计数器控制信号判断检测信号每个整周期或半周期的开始或结束；

c、在每一个整周期或半周期j＝1，2，…，m开始，计数器开始高频计数；

d、在每一个整周期或半周期的开始到结束期间，读取ADC采样值x(i)，并进行绝对值累计计算：

$I\left(j\right)=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\left|x\left(i\right)\right|---\left(1\right)$

其中：i＝1,2，…，k_j，为信号当前整周期或半周期内采样点的顺序号；k_j为信号当前整周期或半周期内采样点数；

e、每个信号整周期或半周期进行频率和系数校正：

$M\left(j\right)=\frac{{\mathrm{\πf}}_c}{2s_j{f}_0}I\left(j\right)---\left(2\right)$

其中：f_c为定时器计数频率；

f、重复步骤b～e，进行m个整周期或半周期的同步测频、采样和累计修正计算；

g、计算m个整周期或半周期校正值M的平均值，得调幅信号幅度的测量值A：

$A=\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}M\left(j\right)---\left(3\right)$

上述步骤中的n、m和f_c根据高速数模转换单元的转换速度、微控制器单元的存储和计算能力及检测速度，尽量选取大的数值。